已知的宇宙：我们只看到了5%

如果你曾在没有光污染的夏夜抬头望过天，一定会对那些密密麻麻的光点产生过某种错觉：那些闪烁的星星就是宇宙的全部，而我们头顶这片墨蓝色的天幕，就是宇宙的边界。千百年来，人类对宇宙的认知就像是在不断拆解一层又一层的包装纸：你以为你看到了全部，但撕开之后才发现，眼前的东西只是最表面的一层，藏在包装之内的，是远比想象庞大得多的世界，以及占比高达95%的、至今我们仍看不清真容的“暗影”部分。本章我们就从最基础的宇宙认知讲起，带你一步步拆开这层包装，搞清楚我们所在的宇宙到底由什么组成，为什么天文学家敢笃定地说，我们能直接看到的物质，连宇宙的5%都不到。

从地心说到日心说：第一次打破“人类中心”的幻觉

人类对宇宙的认知，最早是从头顶这片天幕开始的。古代中国提出“天圆地方”的宇宙模型，认为大地是方的，天空是圆的，像一口锅盖在大地上；古希腊哲学家亚里士多德则提出了更系统的地心说，认为地球是宇宙的中心，太阳、月亮、五大行星（水星、金星、火星、木

如果你曾在没有光污染的夏夜抬头望过天，一定会对那些密密麻麻的光点产生过某种错觉：那些闪烁的星星就是宇宙的全部，而我们头顶这片墨蓝色的天幕，就是宇宙的边界。千百年来，人类对宇宙的认知就像是在不断拆解一层又一层的包装纸：你以为你看到了全部，但撕开之后才发现，眼前的东西只是最表面的一层，藏在包装之内的，是远比想象庞大得多的世界，以及占比高达95%的、至今我们仍看不清真容的“暗影”部分。本章我们就从最基础的宇宙认知讲起，带你一步步拆开这层包装，搞清楚我们所在的宇宙到底由什么组成，为什么天文学家敢笃定地说，我们能直接看到的物质，连宇宙的5%都不到。

> [!TIP] 纸书侧边栏：宇宙认知的三次革命 > 人类对宇宙的认知经历了三次颠覆性的革命：第一次是哥白尼的日心说，把人类从“宇宙中心”的位置上拉了下来；第二次是哈勃发现宇宙膨胀，打破了“宇宙静态永恒”的幻想；第三次就是本章要讲的宇宙组成认知，让我们意识到，我们能看到的所有东西，只是宇宙的冰山一角。

从地心说到日心说：第一次打破“人类中心”的幻觉

人类对宇宙的认知，最早是从头顶这片天幕开始的。古代中国提出“天圆地方”的宇宙模型，认为大地是方的，天空是圆的，像一口锅盖在大地上；古希腊哲学家亚里士多德则提出了更系统的地心说，认为地球是宇宙的中心，太阳、月亮、五大行星（水星、金星、火星、木星、土星）和所有恒星都绕着地球做完美的圆周运动，这个模型统治了西方世界近两千年，因为它和日常观测的结果高度吻合：你站在地面上看，太阳确实从东边升起西边落下

星、土星）和所有恒星都绕着地球做完美的圆周运动，这个模型统治了西方世界近两千年，因为它和日常观测的结果高度吻合：你站在地面上看，太阳确实从东边升起西边落下，月亮也是东升西落，所有星星都像是挂在一个巨大的球壳上，绕着地球转。为了解释行星有时候会“逆行”——也就是看起来沿着黄道带往回走——的诡异现象，地心说还加上了无数个“本轮”：每个行星不仅绕地球转，还绕着一个虚拟的小圆点（本轮的中心）转，就像在一个大齿轮上套了无数个更小的齿轮，硬是把观测数据和地心说的框架套上了。这套模型不仅被教会定为官方学说，甚至在文艺复兴时期依然是最主流的宇宙观，毕竟没有任何观测证据能证明它是错的——直到望远镜的发明。

1609年，意大利科学家伽利略把自制的望远镜对准了天空，立刻看到了颠覆认知的景象：木星周围有四个亮点在绕着木星转动，这四个后来被命名为伽利略卫星的天体，直接证明了不是所有天体都绕着地球转；他还观察到金星像月亮一样有圆缺变化，只有金星绕着太阳转，才能解释这个现象，地心说彻底破产。1543年，波兰天文学家哥白尼在临终前出版的《天体运行论》中正式提出日心说：太阳才是太阳系的中心，地球和其他行星一样，都绕着太阳做圆周运动。这个模型不仅解释了所有行星的逆行现象，还不用加无数复杂的本轮，简洁漂亮，很快被科学界接受。

日心说解决了太阳系的结构问题，但当时的人类对宇宙的认知依然非常有限：大家以为太阳系加上周围固定的恒星球壳，就是整个宇宙的全部，那些模糊的“星云”只是银河系里的气体云。直到20世纪初，美国天文学家埃德温·哈勃用威尔逊山天文台的2.5米望远镜，测量了仙女座星云里的造父变星距离——造父变星是一类亮度会周期性变化的恒星，亮度变化周期和真实亮度成正比，就像工厂生产的标准灯泡，每个灯泡的瓦数一样，你看到它有多亮，就能算出它离你有多远。哈勃算出仙女座星云的距离是90万光年，远在银河系（直径当时估算约10万光年）之外，证明它是和银河系一样的独立星系，也就是“河外星系”。这个发现直接把人类的宇宙认知扩大了无数倍：就像你之前以为你家所在的村子就是全世界，结果突然发现村子外面还有无数个和你家村子一样大的城镇，宇宙的边界瞬间被推到了我们无法想象的地方。

> [!TIP] 纸书侧边栏：宇宙认知的三次革命 > 人类对宇宙的认知经历了三次颠覆性的革命：第一次是哥白尼的日心说，把人类从“宇宙中心”的位置上拉了下来；第二次是哈勃发现宇宙膨胀，打破了“宇宙静态永恒”的幻想；第三次就是本章要讲的宇宙组成认知，让我们意识到，我们能看到的所有东西，只是宇宙的冰山一角。

宇宙不是静态的：哈勃发现宇宙在膨胀

如果说发现河外星系是把宇宙的“版图”扩大了，那哈勃1929年的另一个发现，则彻底改变了人类对宇宙“状态”的认知。当时哈勃在观测24个河外星系的光谱时，发现了一个惊人的规律：几乎所有星系的光谱都向红色端偏移，也就是光的波长被拉长了，而且距离我们越远的星系，红移的程度越大，退行速度越快。这个规律后来被总结为哈勃定律：$v = H_0 \times d$，其中$v$是星系的退行速度，$d$是星系和我们的距离，$H_0$是哈勃常数，目前精确测量值约为67.4 km/s/Mpc——也就是说，每远100万秒差距（约326万光年），星系的退行速度就增加67.4公里每秒。

要理解红移，我们可以用日常的例子类比：你站在火车站台，一辆火车鸣笛开过来的时候，汽笛的音调很高，等火车开走的时候，音调会突然变低。这是因为声波的多普勒效应：波源靠近你的时候，波会被压缩，频率变高，音调变尖；波源远离你的时候，波会被拉长，频率变低，音调变低。光也是一样，属于电磁波，光源远离我们的时候，光的波长会被宇宙膨胀拉长，频率变低，颜色就往红色端移动，也就是“红移”；如果光源靠近我们，波长被压缩，就会往蓝色端移动，叫“蓝移”。哈勃观测到几乎所有星系都有红移，说明宇宙整体正在膨胀，就像气球上的点，吹气球的时候所有点都会互相远离，没有一个点是中心。

这个发现彻底推翻了当时主流的“静态宇宙”观点。1915年爱因斯坦提出广义相对论的时候，他的场方程算出来宇宙要么膨胀要么收缩，不可能保持静态，但当时所有人都相信宇宙是永恒不变的，所以爱因斯坦在方程里硬加了一个“宇宙常数”项，来产生一种排斥力，抵消引力，让宇宙保持静态。后来哈勃发现宇宙膨胀，爱因斯坦把宇宙常数称为自己“一生最大的错误”。不过这个“错误”后来反而成了暗能量存在的关键线索——我们现在知道，宇宙常数其实就是暗能量的一种表现形式，爱因斯坦当年的“修正”其实是提前猜到了宇宙中存在一种推动膨胀的能量。

宇宙膨胀的发现为大爆炸模型提供了核心支撑。1927年，比利时天文学家勒梅特首先提出，宇宙是从一个密度无限高的“原始原子”爆炸后膨胀而来的，这个假说后来被称为“大爆炸宇宙模型”。1948年，美籍俄裔物理学家伽莫夫等人提出了大爆炸核合成理论，预言宇宙诞生后的前3分钟里，高温高压的环境会让质子中子结合成原子核，最终产生的氢元素占比约75%，氦元素占比约25%。后来天文学家观测宇宙中的原始气体云，发现氢氦比例确实和这个预言完全一致，为大爆炸模型提供了第一个关键证据。

1965年，美国贝尔实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊在调试卫星通信天线的时候，发现天空中存在一个怎么消除都消不掉的微波噪声，温度是2.7K，比绝对零度高2.7摄氏度。他们一开始以为是天线上的鸽子粪导致的，清理了之后噪声依然存在，后来才知道这就是宇宙微波背景辐射：大爆炸之后约38万年，宇宙冷却到3000K，光子不再被自由电子散射，能自由传播，到现在经过了138亿年的宇宙膨胀，波长被拉长了上千倍，从可见光变成了微波，温度降到2.7K，相当于大爆炸的“余晖”。这个发现直接让大爆炸模型从众多假说中脱颖而出，成为了标准宇宙学模型，彭齐亚斯和威尔逊也凭借这个发现获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

> [!NOTE] 电子版交互提示：点击此处可观看宇宙从大爆炸到现在的演化模拟动画 > [链接：https://www.youtube.com/watch?v=wND68g9wECc]

我们只看到了5%：宇宙的“隐形”组成

大爆炸模型虽然被证实了，但天文学家很快发现，用这个模型算出来的宇宙组成，和我们实际看到的完全对不上。20世纪70年代，天文学家薇拉·鲁宾观测仙女座星系的旋转速度时，发现了一个诡异的现象：按照牛顿力学，星系中心的恒星离中心近，受到的引力大，转得快；边缘的恒星离中心远，受到的引力小，转得应该慢，就像太阳系里，水星绕太阳转一圈只要88天，海王星要165年，转得慢得多。但鲁宾观测到，仙女座星系边缘的恒星转得和中心的差不多快，甚至更快——这说明星系里有很多看不见的物质，提供了额外的引力，拉着这些恒星不让它们因为转得太快飞出去。

这个发现就像你玩旋转木马：如果没有绳子拉着你，你转得越快就越容易飞出去，现在你发现旋转木马边缘的人转得和中心的人一样快，甚至更快，说明有无数根看不见的绳子（暗物质）拉着他们。后来天文学家通过引力透镜、星系团碰撞等多种方法，都证实了这种看不见的物质确实存在，而且质量比所有我们能看到的恒星、气体、尘埃的总质量还要大好几倍。

如果说暗物质只是“看不见但有质量”，那暗能量的发现就更颠覆了认知。1998年，两个独立的天文团队用Ia型超新星作为“标准烛光”测量宇宙的膨胀速度。Ia型超新星是双星系统中的白矮星，在吸积伴星的物质，当质量达到1.44倍太阳质量（钱德拉塞卡极限）的时候，会发生热核爆炸，爆炸的亮度几乎完全一致，就像工厂生产的标准100瓦灯泡，你看到它有多亮，就能算出它离你有多远。天文学家通过观测Ia型超新星的亮度和红移，发现距离我们越远的超新星（也就是越早期的宇宙），比预期的要暗，说明它们离我们比预期的更远——这意味着宇宙的膨胀不是一直在减速，而是在大约50亿年前开始加速了。

这个发现彻底颠覆了所有人的认知：之前大家都以为宇宙里的物质之间有引力，会让膨胀慢慢减速，甚至最后收缩，结果发现有一种看不见的能量在对抗引力，推动宇宙加速膨胀，这就是暗能量。2011年，这个发现的三位主要科学家获得了诺贝尔物理学奖。

为了更直观地理解宇宙的组成，我们可以把整个可观测宇宙的总质能比作一杯500ml的特调宇宙奶茶： ```mermaid pie title 宇宙总质能组成（普朗克2023最终数据） "暗能量 68.3%" : 68.3 "暗物质 26.8%" : 26.8 "普通重子物质 4.9%" : 4.9 ```

• 杯子里你第一眼能看到的珍珠、奶盖、棕色奶茶液体，对应我们能直接观测到的普通重子物质，总共只有25ml左右，占比4.9%，包括所有的恒星、行星、气体、尘埃，还有你和我，所有构成生命和日常物体的东西，都在这25ml里。
• 你摸杯壁的时候，会觉得杯子比25ml的液体重得多，多出来的重量一部分来自沉在杯底、你摸不到也看不到的黑色珍珠，对应暗物质，占比26.8%，大概134ml，这些珍珠不发光、不反射光，我们看不到它们，但能感觉到它们的引力，就像我们的银河系就是被这些看不见的珍珠拉着，才没有因为自转而散架。
• 还有一部分重量来自你完全感觉不到的、让整杯奶茶不断往外膨胀的力量，就是暗能量，占比68.3%，大概340ml，相当于杯子里装的大部分都是无色无味的膨胀气体，你既看不到也摸不到，但它一直在推着杯子的壁往外扩，让整杯奶茶越来越大，这就是宇宙加速膨胀的原因。

这个比例不是天文学家拍脑袋想出来的，而是来自普朗克卫星的

这个比例不是天文学家拍脑袋想出来的，而是来自普朗克卫星长达9年的精确观测，以及多种完全独立的观测方法交叉验证的结果。普朗克卫星是欧洲空间局2009年发射的宇宙学观测卫星，它的唯一任务就是以前所未有的精度测量宇宙微波背景辐射（CMB）的微小温度涨落——这些涨落是大爆炸后38万年，原初宇宙的密度扰动留下的“化石”，就像你看到地上的涟漪，就能反推出扔石头的位置和力度一样，天文学家通过分析这些涨落的模式和尺度，就能反推出宇宙的总密度、物质密度、暗能量密度等核心参数。2023年普朗克卫星发布的最终观测数据，把宇宙组成的测量精度提高到了0.1%以内：普通重子物质占4.9%，冷暗物质占26.8%，暗能量占68.3%，这个结果和用重子声波振荡、Ia型超新星、引力透镜等完全不同方法得到的结果完全一致，相当于用三种完全不同的尺子量同一个桌子，得到的长度几乎一模一样，才让这个比例成为了现代标准宇宙学模型的基石。

不过要说明的是，我们常说的“可见物质只占5%”，这个“5%”针对的是可观测宇宙的范围，而非整个宇宙。可观测宇宙的半径约为465亿光年，不是你以为的138亿光年——因为宇宙从诞生开始就在膨胀，我们今天看到的来自遥远星系的光，在传播了138亿年的过程中，空间本身也在不断膨胀，把这束光的传播距离拉长了数倍，所以我们现在能观测到的最远距离，是138亿光年乘上宇宙膨胀的系数，得到的465亿光年。而整个宇宙可能比可观测宇宙大得多，甚至可能是无限大的，我们目前只能确定我们能看到的部分里，可见物质占比只有4.9%，至于整个宇宙的比例，目前还无法得知。

> 📖 纸书侧边栏：可观测宇宙 vs 整个宇宙 > 很多读者会问：宇宙是不是只有465亿光年大？答案是否定的。可观测宇宙的边界只是“光能传播到我们这里的最远距离”，就像你在海面上，能看到的 horizon 是你视线的最远距离，但海本身是无限的。我们现在看到的最远的光，是宇宙诞生后38万年发出的宇宙微波背景辐射，这些光传播了138亿年才到我们这里，而它们出发的地方，现在因为宇宙膨胀，已经离我们465亿光年了，再远的光还没来得及传到我们这里，所以我们看不到。

接下来我们详细拆解这三种宇宙组成的本质，以及我们为什么能确定它们的存在：

普通重子物质：我们熟悉的“可见宇宙”

普通重子物质是我们最熟悉的，也是唯一能直接通过电磁相互作用（发光、反光、吸收光）观测到的物质，占比只有4.9%。所谓“重子”，就是质子、中子这类由三个夸克组成的亚原子粒子，我们身边的所有普通物质——从你手里的手机，到头顶的太阳，到银河系里的所有恒星、行星、气体、尘埃，甚至黑洞（如果是由恒星坍缩形成的，其构成物质也是重子），都属于普通重子物质。

但这里